控制系統(tǒng)仿真課程內(nèi)容改革及實(shí)踐

摘 要: 《控制系統(tǒng)仿真》課程是自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)及相關(guān)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)課程體系中一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課。為了提高教學(xué)質(zhì)量，本文作者在該課程的教學(xué)改革實(shí)踐中，對(duì)其教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方式與實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了改革與實(shí)踐，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、創(chuàng)新能力，發(fā)散思維、分析問(wèn)題的方法和解決問(wèn)題的能力等，取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞: 《控制系統(tǒng)仿真》 課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式改革 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

1.引言

仿真技術(shù)已經(jīng)是當(dāng)下工程師們必須掌握的基本技能之一?！犊刂葡到y(tǒng)仿真》是一門(mén)講授仿真的基本原理、算法和計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的課程，是工業(yè)電氣自動(dòng)化、自動(dòng)控制、過(guò)程控制和機(jī)電工程等專(zhuān)業(yè)課程體系中一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)課，是溝通現(xiàn)實(shí)與理論必不可少的橋梁。該課程作為一門(mén)聯(lián)系自動(dòng)控制理論/系統(tǒng)/設(shè)計(jì)、課程設(shè)計(jì)和畢業(yè)設(shè)計(jì)等教學(xué)環(huán)節(jié)的仿真基礎(chǔ)類(lèi)課程，以《計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)》、《Matlab語(yǔ)言及應(yīng)用》、《自動(dòng)控制原理》等課程為前期先修課程，也作為同期或后續(xù)課程如《電力拖動(dòng)與自控系統(tǒng)》、《運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》、《現(xiàn)代控制理論》的工具課程，其目的是指導(dǎo)學(xué)生掌握解決控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)的一種有效的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，提高學(xué)生的實(shí)踐能力和綜合解決問(wèn)題的能力[1]、[2]。為了在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)使學(xué)生盡快掌握該知識(shí)，并且在理論分析與實(shí)踐仿真兩個(gè)方面的能力都有所提高。我們對(duì)其課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式進(jìn)行了一些探索研究與實(shí)踐。

2.課程內(nèi)容體系與教學(xué)方式改革

該課程的具體內(nèi)容包括仿真的基本方法與原理，建模，數(shù)值計(jì)算，優(yōu)化問(wèn)題求解方法，Matlab與Simulink基礎(chǔ)。在該課程的授課過(guò)程中對(duì)原理性的內(nèi)容逐步進(jìn)行分析講解，并且利用仿真工具演示加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解。

2.1課程重點(diǎn)內(nèi)容歸納

授課時(shí)的重點(diǎn)內(nèi)容歸結(jié)如下:該課程開(kāi)設(shè)的必要性、意義，以及其基本概念→控制系統(tǒng)建模的基本方式方法→數(shù)值計(jì)算方法及仿真計(jì)算→Matlab基本使用技術(shù)及程序設(shè)計(jì)和Simulink基礎(chǔ)→控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真及其優(yōu)化→工程舉例等。該課程實(shí)際安排課時(shí)為32課時(shí)，其中理論知識(shí)的講授課時(shí)安排為24學(xué)時(shí)，上機(jī)實(shí)踐課時(shí)安排為8學(xué)時(shí)。圍繞該重點(diǎn)內(nèi)容通過(guò)對(duì)相關(guān)知識(shí)的講解與實(shí)踐，使學(xué)生初步具備建模、設(shè)計(jì)、仿真這一過(guò)程。

2.2理論知識(shí)授課部分的改革

理論知識(shí)講授的部分主要講解該課程的背景、應(yīng)用及其發(fā)展趨勢(shì)，控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，控制系統(tǒng)建模的基本方法及其實(shí)例，常微分方程和差分方程基本的數(shù)值積分求解方法，Matlab與Simulink基礎(chǔ)及其作為工具在控制系統(tǒng)仿真過(guò)程中的使用和控制系統(tǒng)仿真的具體實(shí)現(xiàn)。

該部分知識(shí)主要使學(xué)生對(duì)控制系統(tǒng)仿真這門(mén)課程有一定的感性認(rèn)識(shí)，配合實(shí)踐課時(shí)使其能夠?qū)刂葡到y(tǒng)的建模、設(shè)計(jì)、仿真這一系列過(guò)程有一定的理性認(rèn)識(shí)。該部分知識(shí)主要以仿真方法及其如何使用仿真工具來(lái)實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解。

其中，仿真工具部分的課時(shí)安排占了一定的比重，為實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)作了必要的鋪墊[3]。主要是講述Matlab的基本運(yùn)行環(huán)境，及其Simulink模塊的基本操作，使學(xué)生具備實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)仿真的能力。該部分教學(xué)內(nèi)容安排如下:Matlab的基本操作與使用、矩陣運(yùn)算與操作、二維三維圖形繪制、控制工具箱等;基于Matlab的各種模型的實(shí)現(xiàn)、轉(zhuǎn)換、串并聯(lián)及反饋的構(gòu)建;利用Matlab編程方式實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)式的處理，便于控制系統(tǒng)模型的建立和描述，實(shí)現(xiàn)基于數(shù)值積分方法的微分方程求解仿真，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析等功能;還有實(shí)現(xiàn)基于離散相似法的仿真，以及實(shí)現(xiàn)基于Simulink的控制系統(tǒng)的模型的構(gòu)造，數(shù)值仿真和系統(tǒng)分析，等等。

通過(guò)對(duì)該課程內(nèi)容的歸納，圍繞重點(diǎn)難點(diǎn)知識(shí)合理安排各部分的授課課時(shí)，理論聯(lián)系實(shí)際，列舉實(shí)際案例幫助學(xué)生更好地理解理論知識(shí)和掌握仿真工具的使用。

2.3教學(xué)方式改革

該課程的內(nèi)容既涉及仿真算法等一些理論知識(shí)，又涉及仿真工具，知識(shí)面較廣。

為了能夠得到較好的教學(xué)效果，在教學(xué)方式方面該課程授課采用了多媒體的方式，加強(qiáng)互動(dòng)環(huán)節(jié)，一面講授理論知識(shí)，一面使用仿真工具演示，并且說(shuō)明理論知識(shí)的使用方法和適用場(chǎng)合，將理論和實(shí)際相結(jié)合，將實(shí)際案例融入到課堂教學(xué)當(dāng)中。并且詳細(xì)介紹仿真的工具的使用，一步步演示，使每個(gè)學(xué)生都能夠在課堂上對(duì)仿真工具的使用有一個(gè)初步的認(rèn)識(shí)。

作業(yè)的形式都以實(shí)驗(yàn)報(bào)告的形式給出，讓每個(gè)學(xué)生都能通過(guò)實(shí)踐教學(xué)過(guò)程鞏固自己所學(xué)的知識(shí)，驗(yàn)證自己的算法。

考試的形式以上機(jī)操作結(jié)合理論知識(shí)考試得出，既加深了學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握，又加強(qiáng)了學(xué)生的動(dòng)手能力。

3.實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)改革

該課程的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)安排的課時(shí)數(shù)為8學(xué)時(shí)，根據(jù)教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，可以靈活地進(jìn)行調(diào)整。認(rèn)識(shí)類(lèi)的實(shí)踐課時(shí)為2個(gè)或者4個(gè)，如:Simulink工具箱的使用及操作、PID工具箱的應(yīng)用;驗(yàn)證及工程仿真類(lèi)的實(shí)踐課時(shí)為4個(gè)或者6個(gè)。如:基于二容水箱系統(tǒng)的算法驗(yàn)證、平面倒立擺的建模與仿真，直流電機(jī)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的參數(shù)仿真優(yōu)化，等等。

4.結(jié)語(yǔ)

我們對(duì)教學(xué)內(nèi)容及其方式的改革，使學(xué)生在課堂上與老師有很好的交流，增強(qiáng)了互動(dòng)，通過(guò)案例演示激發(fā)了學(xué)生的興趣，加深了學(xué)生對(duì)授課內(nèi)容的理解。大多數(shù)學(xué)生都能夠獨(dú)立自主的完成實(shí)驗(yàn)和大作業(yè)。實(shí)驗(yàn)和作業(yè)的范圍涉及運(yùn)動(dòng)控制和過(guò)程控制等自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)相關(guān)的課程，收到了良好的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn):

[1]張曉華.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真與CAD[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[2]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)——Matlab語(yǔ)言與應(yīng)用(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[3]樓順天，于衛(wèi).基于Matlab的系統(tǒng)分析于設(shè)計(jì)[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2000.